压电微致动器元件的制作及特性分析

    近年来,铁电薄膜被广泛研究并应用于半导体固定存储器、压电微传感器和微致动器及光电装置等^[1]。其中,锆钛酸铅(PZT)薄膜具有显著的介电、压电和铁电特性,因而在压电装置方面的应用研究引起广泛的重视^[2]。PZT铁电厚膜兼有块状材料和薄膜的优点,可在低压和高频条件工作。因此,压电厚膜微致动器作为磁记录行业的首选材料,被用来解决硬盘驱动器磁头精确定位的难题。分别采用两种溶胶2凝胶工艺制作了厚度为0.6~3.0μm的PZT元件。其中,基体材料采用Pt/Ti/SiO2/Si,即在经过氧化的Si基底上溅射Pt/Ti电极层。同时,为了将PZT元件应用于微致动器装置,通过反应离子刻蚀(RIE)工艺刻蚀Si基体厚为10~20μm,然后通过环氧胶将该元件与U型不锈钢基体粘结^[3]。此外,通过理化分析及封装实验等测试PZT元件的物相及微致动性能等。

    1　微致动器的设计和分析

    1.1　结构设计

    图1 (a)为新型微致动器在磁头悬臂装置(HSA)上的位置和结构设计。该致动器位于悬臂梁弹性区与滑块之间。利用PZT的高压电常数(d31)特性,使读/写磁头产生水平位移。图1(b)为微致动器的结构示意图。它由一块U型不锈钢基体及其两侧的一对压电元件粘结而成。当分别在两侧元件上施加±2~±20 V交变电压时,由于元件的压电效应,使基体两侧的压电元件沿长度方向反向伸缩,从而使磁头沿悬臂主轴作水平旋转并精确寻轨。

    1.2　压电元件的制作

    目前,微机电系统(MEMS)领域的发展十分迅猛,而以硅材料为核心的半导体制造技术尤为突出^[4]。其中,RIE工艺可实现高纵横比(>25:1)的机械结构,并可实现微器件的多功能、微结构及低成本。

    图2为PZT元件的结构示意图。其中,沿厚度方向进行极化,d₃₁为-60~ -70 pC/V,顶电极层厚度为0.25μm(Au)。首先,在Pt/Ti/SiO2/Si基体上沉积PZT层和Au顶电极作为驱动材料;然后采用RIE工艺刻蚀掉Si基体并用改进的环氧胶与U型不锈钢基体粘结。

    为了与厚度大于1μm的PZT厚膜对比,采用传统的溶胶2凝胶工艺制作了厚度为0.6μm的PZT薄膜,基体为Pt/Ti/SiO₂/Si多层结构。各层厚度分别为450μm (Si)、0.5μm (SiO₂)、0.05μm(Ti)和0.2μm (Pt)。其制作工艺参见文献^[5]。由于压电薄膜的驱动力较小,难以满足微致动位移大于0.8μm的实际要求,因此厚度大于1μm的压电厚膜成为更理想的选择。但传统的溶胶2凝胶工艺在制备压电厚膜时,极易出现裂纹和剥落。采用改进工艺(即一次性烧结溶2胶凝胶工艺)可以在Pt/Ti/SiO2/Si基体上成功制备1 ~ 3μm厚的Pb(Z_r0.52T_i0.48)O₃膜。其具体工艺参考文献[6]。